1 前言

　　隨著工業(yè)自動化控制技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器(PLC)在紡織機(jī)械控制中的應(yīng)用已十分廣泛。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到紡織機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，直接影響到紡織企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個紡織機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。本文詳細(xì)探討了在PLC控制系統(tǒng)中影響PLC運(yùn)行的干擾類型及來源，并提出抗干擾設(shè)計(jì)的實(shí)施策略。紡織機(jī)械自動化系統(tǒng)所使用的各種類型PLC中，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備控制柜中，它們大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力，另一方面要求應(yīng)用部門在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。

2 電磁干擾類型

　　影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，電荷劇烈移動的部位就是干擾源。干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲波形性質(zhì)來劃分。按噪聲產(chǎn)生的原因，分為放電噪聲、浪涌噪聲和高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質(zhì)不同，可分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等；按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾，共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。

3 電磁干擾的主要來源

　　3.1 來自空間的輻射干擾

空間輻射電磁場(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達(dá)、以及高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜。若PLC系統(tǒng)置于其射頻場內(nèi)，就會受到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對PLC通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小特別是頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進(jìn)行保護(hù)。

　　3.2 來自系統(tǒng)外引線的干擾

　　來自系統(tǒng)外引線的干擾主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾，這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場較為嚴(yán)重，主要有下面三類：

　　3.2.1 來自電源的干擾

　　實(shí)踐證明，因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障的情況很多，筆者在某工程調(diào)試中遇到過，后更換隔離性能更高的PLC，問題才得到解決。PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電，由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電流，尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化、開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備啟停、交直流傳動裝置引起的諧波以及電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但因其結(jié)構(gòu)及制造工藝等因素使其隔離性能并不理想。實(shí)際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。

　　3.2.2 來自信號線引入的干擾

　　與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外．，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾，干擾往往非常嚴(yán)重。由信號引入的干擾會引起I／O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴(yán)重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號問互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機(jī)。PLC控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成I／O模件損壞程度相當(dāng)嚴(yán)重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。

　　3.2.3 來自接地系統(tǒng)混亂的干擾

　　接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一，正確的接地既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地反而會引入嚴(yán)重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)無法正常工作。PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等，接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層。當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時，地線電流將更大。此外，屏蔽層、接地線和大地可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)會出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其他接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機(jī)。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測量精度下降，引起對信號測控的嚴(yán)重失真和誤動作。

　　3.3 來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾

　　來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射、模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬于PLC制造廠家對系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)的內(nèi)容，比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門無法改變，可不必過多考慮，但在選用時要選擇具有較多應(yīng)用實(shí)績或經(jīng)過較多工業(yè)現(xiàn)場考驗(yàn)的PLC系統(tǒng)。

4 PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾設(shè)計(jì)

　　為了保證PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾，必須從設(shè)計(jì)階段開始便采取三個方面抑制措施：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這三點(diǎn)就是抑制電磁干擾的基本原則。

　　PLC控制系統(tǒng)的抗干擾是一個系統(tǒng)工程，要求制造單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)出具有較強(qiáng)抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴于使用部門在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以全面考慮，并結(jié)合具體情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。進(jìn)行具體工程的抗干擾設(shè)計(jì)時，應(yīng)主要注意兩個方面。

　　4.1 設(shè)備選型

　　在選擇設(shè)備時，首先要選擇有較高抗干擾能力的產(chǎn)品，其包括了電磁兼容性，尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術(shù)、隔離性能好的PLC系統(tǒng)；其次還應(yīng)了解生產(chǎn)廠家給出的抗干擾指標(biāo)，如共模抑制比、差模抑制比、耐壓能力、允許在多大電場強(qiáng)度和多高頻率的磁場強(qiáng)度環(huán)境中工作等；另外是靠考查其在類似工作中的應(yīng)用實(shí)績。

　　在選擇國外進(jìn)口產(chǎn)品時要注意，我國是采用220V高內(nèi)阻電網(wǎng)制式，而歐美地區(qū)是110V低內(nèi)阻電網(wǎng)。由于我國電網(wǎng)內(nèi)阻大，零點(diǎn)電位漂移大，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上，對系統(tǒng)抗干擾性能要求更高。在國外能正常工作的PLC產(chǎn)品在國內(nèi)工業(yè)現(xiàn)場就不一定能可靠運(yùn)行，這就要在采用國外產(chǎn)品時，按我國的標(biāo)準(zhǔn)(GB／T 13926)進(jìn)行合理選擇。

　　4.2 綜合抗干擾設(shè)計(jì)

　　主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種抑制措施，內(nèi)容包括：對PLC系統(tǒng)及外引線進(jìn)行屏蔽，以防空間輻射電磁干擾；對外引線進(jìn)行隔離、濾波，特別是動力電纜應(yīng)分層布置，以防通過外引線引入傳導(dǎo)電磁干擾；正確設(shè)計(jì)接地點(diǎn)和接地裝置，完善接地系統(tǒng)。另外，還必須利用軟件手段，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。

5 主要抗干擾措施

　　5.1 采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾

　　在PLC控制系統(tǒng)中，電源占有極其重要的地位。電網(wǎng)干擾串入PLC控制系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源(如CPU電源、I／O電源等)、變送器供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的。現(xiàn)在對于PLC系統(tǒng)供電的電源，一般都采用隔離性能較好的電源，而對于變送器供電電源以及和PLC系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表供電電源，并沒受到足夠的重視。雖然采取了一定的隔離措施，但普遍還不夠，主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大，抑制干擾能力差，經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以，對于變送器和共用信號儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大(如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù))的配電器，以減少PLC系統(tǒng)的干擾。常用的方法是既使用濾波器，同時又使用隔離變壓器。連接方法如圖1所示。但必須注意，使用時應(yīng)把濾波器接入電源，然后再使用隔離變壓器。

圖1連接方法

　　此外，為保證電網(wǎng)饋電不中斷，可采用在線式不間斷供電電源(UPS)供電，而且UPS還具有較強(qiáng)的干擾隔離性能，是一種PLC控制系統(tǒng)的理想電源。

　　5.2 正確選擇電纜的類型和實(shí)施敷設(shè)

　　為了減少動力電纜尤其是變頻裝置饋電電纜的輻射電磁干擾，選擇合適類型的電纜很重要。筆者在某工程中采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，降低了動力線產(chǎn)生的電磁干擾，該工程投產(chǎn)后取得了滿意的效果。為防止或減少外部配線的干擾，實(shí)施外部配線時采取下列措施是非常有效的。

　　5.2.1 交流輸入輸出信號與直流輸入輸出信號分別使用各自的電纜。

　　5.2.2 在30 m以上的長距離配線時，輸入信號線輸出信號線分別使用各自的電纜。

　　5.2.3 集成電路或晶體管設(shè)備的輸入、輸出信號線，必須使用屏蔽電纜，屏蔽電纜的處理如圖2所示，輸入、輸出側(cè)懸空，而在控制器側(cè)接地。

圖2屏蔽電纜的處理方法

　　5.2.4 控制器的接地線與電源線或動力線分開。

　　5.2.5 輸入、輸出信號線與高電壓、大電流的動力線分開配線。

　　5.2.6遠(yuǎn)距離配線有干擾或敷設(shè)電纜有困難，費(fèi)用較大時，采用遠(yuǎn)程I／O的控制系統(tǒng)有利。

　　5.3 硬件濾波及軟件抗干擾措施

　　信號在接入控制器前，在信號線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

　　由于電磁干擾的復(fù)雜性，要根本消除干擾影響是不可能的，因此在PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)時，還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。常用的一些提高軟件結(jié)構(gòu)可靠性的措施包括：數(shù)字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干擾；定時校正參考點(diǎn)電位，并采用動態(tài)零點(diǎn)，可防止電位漂移；采用信息冗余技術(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件標(biāo)志位；采用間接跳轉(zhuǎn)，設(shè)置軟件保護(hù)等。

　　5.4 正確選擇接地點(diǎn)。完善接地系統(tǒng)

　　接地的目的通常有兩個，一是為了安全，二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地有浮地、直接接地和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1 MHz，所以PLC控制系統(tǒng)接地線通常采用一點(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，各裝置的柜體中心接地點(diǎn)以單獨(dú)的接地線引向接地極。如果裝置間距較大，應(yīng)采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式，用一根大截面銅母線(或絕緣電纜)連接各裝置的柜體中心接地點(diǎn)，然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于22 mm2的銅導(dǎo)線，總母線使用截面大于60 mm2的銅排。接地極的接地電阻要小于2 Q，接地極最好埋在距建筑物10～15 m處，而且PLC系統(tǒng)接地點(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)相距10 m以上。

　　信號源接地時，屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地；不接地時，應(yīng)在PLC側(cè)接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點(diǎn)接地。多個測點(diǎn)信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理，選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c(diǎn)接地。

　　控制系統(tǒng)的接地一般有3種方法，如圖3所示。

圖3控制系統(tǒng)的3種接地方法

6 結(jié)束語

　　紡織機(jī)械設(shè)備PLC控制系統(tǒng)的干擾是一個十分復(fù)雜的問題，并且一般紡織企業(yè)的現(xiàn)場電磁環(huán)境都很惡劣，因此在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對有些干擾情況還需做具體分析，采取對癥下藥的方法，才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作，保證紡織企業(yè)工業(yè)設(shè)備安全高效運(yùn)行。